磁性材料及其应用

1、课题四 铁磁材料与磁路 -铁磁材料 天然磁石天然磁石 Fe3O4 吸铁性吸铁性 指南性指南性 人类认识和使用最早的磁性材料 “山上有赭者，其下有铁，山上有铅者，其下有银。一曰上山上有赭者，其下有铁，山上有铅者，其下有银。一曰上 有铅者，其下有有铅者，其下有鉒鉒银，上有丹沙者，其下有银，上有丹沙者，其下有鉒鉒金，上有慈石金，上有慈石 者，其下有铜金，此山之见荣者也。者，其下有铜金，此山之见荣者也。” 管子管子地数篇地数篇管仲管仲 春秋时期春秋时期 “西流注于西流注于泑泑泽，期中多慈石。泽，期中多慈石。” 山海经山海经北山经北山经战国时期战国时期 “若慈石之取针。” “慈石召铁，或引之也。” 鬼谷

2、子鬼谷子 战国中期 吕氏春秋精通吕不韦 战国后期 关于磁石的最早记载关于磁石的最早记载 “若遇天景噎（阴暗）霾，夜色瞑黑，又不能辨方 向出指南车或指南鱼，以辨所向鱼法，用薄 铁叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，置炭中烧 之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸 水盆中，没尾数分则止，以密器收之。用时置水碗于 无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也”。 北宋 曾公亮与丁度编撰的武经总要 （1044年） 关于指南针的应用和制作方法的记载关于指南针的应用和制作方法的记载 “舟师识地理，夜者观星，昼者观日。阴晦观指 南针。” 北宋人 朱或 萍洲可谈 司南司南 指南车指南车 指南鱼指南鱼 各种

3、指南针挂件各种指南针挂件 天磁磁体天磁磁体磁铁 磁铁 磁钢磁钢 人造磁铁人造磁铁 磁体：具有磁性的物体磁体：具有磁性的物体 1、磁导率、磁导率 的单位是：亨利的单位是：亨利/米米( (H/m) )。 不同的物质磁导率不同。不同的物质磁导率不同。 在相同的条件下在相同的条件下， 值越大，磁感应强度值越大，磁感应强度 B 越大，越大， 磁场越强；磁场越强； 值越小，磁感应强度值越小，磁感应强度 B 越小，磁场越弱。越小，磁场越弱。 真空中的磁导率是一个常数，用真空中的磁导率是一个常数，用 0 表示表示 0 = 4 10 7 H/m （1） 物质导磁性能的强弱用磁导率 表示。 磁导率用来表示媒介质导

4、磁性能的物理量，用 表示。 （2）、）、 相对磁导率相对磁导率 为便于对各种物质的导磁性能进行比较，以真为便于对各种物质的导磁性能进行比较，以真 空磁导率空磁导率 0 为基准，将其他物质的磁导率为基准，将其他物质的磁导率 与与 0 比比 较，其比值叫相对磁导率，用较，其比值叫相对磁导率，用 r 表示，即表示，即 0 r 铁磁物质的相对磁导率铁磁物质的相对磁导率 材料材料相对磁导率相对磁导率材料材料相对磁导率相对磁导率 钴钴174174镍铁合金镍铁合金60 00060 000 镍镍1 1201 120真空中融化的电解铁真空中融化的电解铁12 95012 950 软钢软钢2 1802 180坡莫合

5、金坡莫合金115 000115 000 硅钢片硅钢片700070001000010000铝硅铁粉芯铝硅铁粉芯7 7 未经退火的铸铁未经退火的铸铁240240锰锌铁氧体锰锌铁氧体50005000 已经退火的铸铁已经退火的铸铁620620 镍铁铁氧体镍铁铁氧体 10001000 （3）、铁磁材料）、铁磁材料 材料材料(介质介质)按磁导率分类：按磁导率分类： 非铁磁非铁磁(非磁性非磁性)材料、铁磁材料、铁磁(磁性磁性)材料。材料。 非铁磁材料非铁磁材料(如空气、铜、铝和绝缘材料等如空气、铜、铝和绝缘材料等) ： 0 = 410-7H/m 顺磁材料顺磁材料(如空气如空气): 略大于略大于0 反磁材料反

6、磁材料(如铜如铜): 略小于略小于0 高导磁材料：高导磁材料： 铸钢：铸钢： 1 0000 硅钢片：硅钢片：(6 0007 000)0 玻莫合金：玻莫合金：比比0大几万倍大几万倍 （1）磁化）磁化:使不具有磁性的物质具有磁性的过程叫磁化。使不具有磁性的物质具有磁性的过程叫磁化。 任何物质在外磁场中都能或多或少地被磁化。任何物质在外磁场中都能或多或少地被磁化。 铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性的现象。铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性的现象。 2 2、铁磁材料的磁化、铁磁材料的磁化 B 磁化后磁性很强的物质叫磁性材料，又称为铁磁性物质。 软磁性物质：磁化后容易去磁的物质称软磁性物质。 。 硬磁性物

7、质：磁化后不易去磁的物质称硬磁性物质。 。 软磁性材料的剩磁弱，容易去磁，适用于需要反复磁化 的场合。 硬磁性材料的剩磁强，不易去磁，适用于制成永磁体。 以下物品是应用磁性材料制成的以下物品是应用磁性材料制成的 v 汽车领域 永磁起动电机 传感器 无刷直流电机 p 计算机领域 光驱 存储器 打印机 p 消费类电子产品领域 微型马达 扬声器 耳机 麦克风 p 电器领域 便携式电动工具电机 家用电器 电机 p 工业自动化领域 磁耦合器 伺服电机 p 工业产品领域 磁分离器 磁起重设备 磁性材料器件及应用 永磁材料永磁材料 软磁材料软磁材料 磁记录材料磁记录材料 特殊功能的磁性材料特殊功能的磁性材料

8、 磁弹性材料磁弹性材料 磁电阻材料磁电阻材料 磁制冷材料磁制冷材料 磁流体磁流体 新型磁性材料的分类：新型磁性材料的分类： -永磁材料永磁材料 在特定的空间内提供一个磁场在特定的空间内提供一个磁场 利用永磁材料的吸铁性及指南性利用永磁材料的吸铁性及指南性 由由 于于 成成 本本 低低 廉廉 ， 铁铁 氧氧 体体 磁磁 材材 有有 广广 阔阔 的的 应应 用用 领领 域域 ， 从从 电电 机机 、 扬扬 声声 器器 到到 玩玩 具具 、 工工 艺艺 品品 ， 因因 而而 是是 目目 前前 应应 用用 最最 广广 的的 永永 磁磁 材材 料料 。 铝铝 镍镍 钴钴 的的 主主 要要 应应 用用 领

9、领 域域 ： 电电 子子 点点 火火 系系 统统 、 电电 度度 表表 、 伏伏 安安 表表 、 医医 疗疗 仪仪 器器 、 工工 业业 电电 机机 、 磁磁 力力 簧簧 片片 开开 关关 、 发发 电电 机机 、 手手 动动 工工 具具 、 自自 动动 售售 货货 机机 。 铁铬钴变形永磁合金是由天铁铬钴变形永磁合金是由天 津市天材科技发展有限公司津市天材科技发展有限公司 金坛市磁性材料有限公司生产永 磁铁氧体材料系列产品 烧结烧结NdFeB永磁材料永磁材料 表面处理分电镀（表面处理分电镀（Zn、Ni）、）、 喷涂、电泳、磷酸钝化等，喷涂、电泳、磷酸钝化等， 产品具有强的耐腐蚀性。产品具有强

10、的耐腐蚀性。 用于手机、BB机振动器的烧 结NdFeB永磁材料 用于各种电机的烧结用于各种电机的烧结NdFeB磁瓦磁瓦 用于核磁共振成像仪及磁选 机等的烧结NdFeB永磁材料 各种规格的环形烧结各种规格的环形烧结 NdFeB永磁材料永磁材料 外径外径3mm160mm； 内径：内径：1mm140mm 各种规格的圆片形烧结NdFeB永 磁材料 尺寸范围：外径2mm160mm； 厚度：0.3mm60mm 各种规格的圆片形烧结各种规格的圆片形烧结NdFeBNdFeB 永磁材料永磁材料 尺寸范围：外径尺寸范围：外径2mm2mm160mm160mm； 厚度：厚度：0.3mm0.3mm60mm 60mm 各

11、种未经表面保护处理的烧结 NdFeB永磁材料 喷涂处理的烧结喷涂处理的烧结NdFeB永磁体永磁体 各种管状烧结NdFeB永磁材 料 尺寸范围： 外径： 3mm160mm； 内径： 1mm140mm 圆柱形的烧结圆柱形的烧结NdFeB永磁体永磁体 -软磁材料 例如对于变压器，在线圈中加入磁芯后，将磁通限制在低 磁阻的磁芯内，用较小激励电流，产生比没有磁芯时大得 多的磁通，这就大大减少了电磁元件的体积。因此，加磁 芯的基本目的是为链合或耦合两个或多个磁单元的磁通， 提供容易通过的路径，将磁源和磁“负载”连接起来，作 为磁通“汇流条”，同时减少磁元件的体积。 共模电感铁芯共模电感铁芯 磁放大器铁芯

12、漏电保护开关互感器铁芯 大功率开关变压器铁芯 深圳市天为科技有限公司深圳市天为科技有限公司 纳米晶开气隙恒电感 电流电压互感器用铁芯 小型开关电源变压器用环形铁芯 非晶恒电感 -磁记录的发展历史磁记录的发展历史 1898年，一位丹麦工程师伯尔森（Ponlsen）将声音用磁的方法 记录在磁性钢丝上，由此发明了录音电话机 1936年 利用氧化铁作磁记录介质为一个乐队录音，其录音带一 直保留到现在。 20世纪50年代 开发了存储电子计算机数据的硬磁盘技术和磁录像 技术。 60年代 出现了体积小的盘式录音磁（记录）带。 70年代初 开发了存储电子计算机数据的软盘技术和家庭盒式录 像磁带 80年代 磁带

13、摄像机的开发和应用是磁记录技术的又一新的发展。 1996年 数字式Video磁盘的商品化。 1998年，美国IBM开始采用GMR磁头量产3.5英寸台式电脑 硬盘，东芝也开始供应配备该磁头的2.5英寸笔记本电脑硬盘 样品。当时的面记录密度约为3Gbit/平方英寸 2004年 东芝垂直磁记录微硬盘（MK4007GAL， 133GBit/in2) 2005年 希捷垂直磁记录硬盘商业化（130GBit/in2) 磁带磁带 磁盘磁盘 磁卡磁卡 磁记录媒体的分类：磁记录媒体的分类： 磁带结构图示 磁记录介质磁记录介质 磁头磁头 磁盘结构磁盘结构 4.4 Mbyte IBM RAMAC 1955 2 kbi

14、ts/in2 50 x24” dia disks 80 Gbyte Seagate U series 2001 32.6 Gbits/in2 2 x 3.5”glass disks -特殊功能的磁性材料特殊功能的磁性材料 磁弹性材料磁弹性材料 磁电阻材料磁电阻材料 磁制冷材料磁制冷材料 磁流体磁流体 磁弹性材料磁弹性材料 磁性材料在磁场的作用磁性材料在磁场的作用 下形状发生改变，具体下形状发生改变，具体 表现可为长度上的伸长表现可为长度上的伸长 或缩短，体积上的膨胀或缩短，体积上的膨胀 和收缩和收缩 磁弹性材料应用模型磁弹性材料应用模型 磁电阻材料磁电阻材料 磁性材料的电阻在磁场的作用下发生改

15、变的现象磁性材料的电阻在磁场的作用下发生改变的现象 Magnetoresistance (MR) 磁制冷材料磁制冷材料 磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术 ，基本原理，基本原理 是借助磁制冷材料的磁热效应（是借助磁制冷材料的磁热效应（magnetocaloric effect） 即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，而等温退磁即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，而等温退磁 时从外界吸取热量，以达到制冷目的时从外界吸取热量，以达到制冷目的 环境友好：无环境污染和破坏 高效节能: 卡诺循环效率可达到 6070 稳定可靠 磁流体磁流体 磁流体又称磁性液体或

16、铁流体。是一种对磁场敏感可 流动的液体磁性材料。 它是将掺入到载液中的铁磁性微粒（10nm）用分 散剂均匀地分散，使成为某种具有流动性的悬浮状的 胶态液体。这种液体具有在通常离心力和磁场作用下 即不沉降和凝集又能使其本身承受磁性可以被磁铁所 吸引的特性。 用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异，可广 泛应用于密封减震、医疗器械、声音调节、光显示等 领域。 宇航员头盔的密封是纳米 磁性材料的 最早重要应用之一-磁性 液体 许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子，如磁性细菌，鸽子，海豚， 石鳖，蜜蜂，人的大脑等 这里有大量的课题需要研究，特别需要有物理和磁学这里有大量的课题需要研究，特别需要有物理和

17、磁学 背景的人员参与，有利于对问题的理解背景的人员参与，有利于对问题的理解 生物磁性生物磁性 19751975年即发现在磁性细菌体内有一排磁性纳米粒子年即发现在磁性细菌体内有一排磁性纳米粒子 磁性纳米粒子导航作用的物理原理和生物过程？磁性纳米粒子导航作用的物理原理和生物过程？ 蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒，G代表磁性颗粒。 对地磁场的准确定位，磁偏角和磁倾角？ 石鳖齿舌中含有大量一维纳米磁性丝 一维纳米丝的丝由许多磁性柱构成，柱内是单畴粒子的集合。 其生物功能未必只是加强齿舌的耐磨性。 天然磁石天然磁石 Fe3O4 吸铁性吸铁性 指南性指南性 人类认识和使用最早的磁性材料 铁铬钴变形永磁合金是由天铁

18、铬钴变形永磁合金是由天 津市天材科技发展有限公司津市天材科技发展有限公司 金坛市磁性材料有限公司生产永 磁铁氧体材料系列产品 用于各种电机的烧结用于各种电机的烧结NdFeB磁瓦磁瓦 用于核磁共振成像仪及磁选 机等的烧结NdFeB永磁材料 4.4 Mbyte IBM RAMAC 1955 2 kbits/in2 50 x24” dia disks 80 Gbyte Seagate U series 2001 32.6 Gbits/in2 2 x 3.5”glass disks 磁制冷材料磁制冷材料 磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术 ，基本原理，基本原理 是借助磁制冷材料的磁热效应（是借助磁制冷材料的磁热效应（magnetocaloric effect） 即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，而等温退磁即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，而等温退磁 时从外界吸取热量，以达到制冷目的时从外